1、收稿日期：20220926导向钻井工具稳定平台骨架减振环敏感性参数研究王乐，孙鹏，白儒林（西安石油大学 机械工程学院，西安710065）摘要：在导向钻井工具稳定平台中，由于稳定平台内存在各种电子元器件，这些电子元器件在经过长时间且复杂的振动后会导致稳定平台产生共振或者疲劳，故而对稳定平台进行减振性能分析就显得十分必要，对骨架减振环敏感性参数进行了分析研究。运用Solidworks软件建立减振环的三维模型，并且利用仿真软件进行减振环的动刚度和损耗因子研究，根据在仿真软件中得到的结果，在Origin软件中利用得到的数据作出其动刚度和损耗因子的影响曲线图，分别研究了减振环内径、外径和高度对减振环动刚
2、度和损耗因子的影响，同时研究了激励频率和激励振幅对减振环动刚度和损耗因子的影响。经过分析可以得出在仿真考虑的因素内，减振环的动刚度对外径、内径、高度的敏感程度为：内径外径高度，且激励频率和激励振幅对减振环动刚度和损耗因子的影响可以忽略不计。关键词：稳定平台；减振环；动刚度；损耗因子中图分类号：TE921文献标志码：A文章编号：10099492(2023)03013103Study on Sensitivity Parameters of Vibration Reduction Ring for Stabilized PlatformFramework of Guided Drilling To
3、olsWang Le，Sun Peng，Bai Rulin（School of Mechanical Engineering,Xian Shiyou University,Xian 710065,China）Abstract:In the stabilized platform of the guided drilling tool,there are various electronic components in the stabilized platform,which willcause resonance or fatigue of the stabilized platform a
4、fter a long and complex vibration.Therefore,it is necessary to analyze the vibrationreduction performance of the stabilized platform.The sensitivity parameters of the skeleton damping ring were analyzed and studied,Solidworkssoftware was used to establish the three-dimensional model of the damping r
5、ing,and the Ansys software was used to study the dynamic stiffnessand loss factor of the damping ring.According to the results obtained in the simulation software,the Origin software used the data obtained todraw the influence curve of the dynamic stiffness and loss factor,and respectively studied t
6、he influence of the inner diameter,outer diameterand height of the damping ring on the dynamic stiffness and loss factor of the damping ring.At the same time,the effects of excitation frequencyand amplitude on the dynamic stiffness and loss factor of the damping ring were studied.According to the an
7、alysis,among the factorsconsidered in the simulation,the sensitivity of the dynamic stiffness of the damping ring to the outer diameter,inner diameter and height is:inner diameterouter diameterheight,and the influence of the excitation frequency and amplitude on the dynamic stiffness and loss factor
8、 ofthe damping ring can be ignored.Key words:stabilized platform;damping ring;dynamic stiffness;loss factor2023年03月第52卷第03期Mar.2023Vol.52No.03机电工程技术MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGYDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2023.03.026王乐，孙鹏，白儒林.导向钻井工具稳定平台骨架减振环敏感性参数研究 J.机电工程技术，2023，52（03）：131-133.0引言旋转导
9、向钻井技术是一项以旋转导向钻井系统为核心的尖端钻井技术1。旋转导向钻井技术具有钻井效率和安全性高，井眼质量好，岩屑不易沉积摩阻小，能适应恶劣环境和复杂地质情况，位移延伸能力强，更加智能化和自动化等优点2。在钻井过程中，由于钻头破岩特点，使得井下钻柱产生纵向、横向和扭转的冲击振动，尤其在钻进硬地层或软硬夹层时更为剧烈，而导向钻井工具的稳定平台安装在其内部，通过螺栓的传递也会产生复杂的振动形态，同时电子仓内含有各种电子元器件，这些电子元器件在经过长时间且复杂的振动后会导致稳定平台产生共振或者疲劳，从而使其测量不精确，井眼不能按照预定轨迹进行石油钻井3-5。因此对稳定平台内骨架的减振环进行敏感性参数
10、研究，从而确定减振环的哪一个参数对减振环影响最大，最后根据研究成果进行减振环的结构优化，已达到最佳的减震效果。本文主要对稳定平台内的横向减振环进行敏感性参数研究，并且减振环材料选用氟橡胶材料，相较于其他橡胶材料，氟橡胶具有耐高温、耐腐蚀等特性，可以在井下这种苛刻的环境中使用，并且这对于提高钻井效率和安全性、提高井眼质量。使钻眼能够按照预定的轨迹131进行钻进具有重要的意义，同时也对提高电子元器件的使用寿命和控制精度具有重要作用。1减振环材料的选择橡胶材料是一种高分子聚合材料，具有较大的阻尼系数，常常被制作成不同形状和结构的减振元件，并且广泛应用在汽车、船舶、军工、航天、石油等领域6。由于旋转导
11、向钻井工具所使用的环境，处于高温高压环境中，所以对于橡胶的耐高温性能有着强烈的要求。而橡胶分子结构对橡胶耐高温性能起决定性作用，在具有腈基、酯基和氟原子等极性基因的橡胶均可改善橡胶材料的耐高温性能，故具有机型基因的氟橡胶、氢化丁腈橡胶和硅橡胶等都具有良好的耐高温性能。氟橡胶是一种性能优异的合成高分子弹性体，其主链或侧链的碳原子上连接有氟原子。氟原子的存在赋予了氟橡胶优异的耐热性能、抗氧化性能、耐油性能和耐腐蚀性能等，使得氟橡胶在航空航天、机械、石油、汽车和军事等众多领域得到广泛应用，成为现代工业尤其是高技术领域不可或缺的重要材料，并且氟橡胶制品可在高温、高压以及油类和强腐蚀介质存在的苛刻环境中
12、使用。氟橡胶分子链中的侧基含有氟原子，且其碳链已饱和，属于碳链饱和的极性橡胶，侧基中的氟原子的极性强，C-F键键能高，且键长短，从而使得氟橡胶具有优异的耐高温性能，并且在橡胶材料中，它的耐高温性能是最好的，一般情况下可以耐受250 的高温环境，短时间内也可在300 的高温下使用，同时，氟橡胶还具备卓越的耐腐蚀性能及耐化学药品的性能7。基于氟橡胶的这些特性，故此本文中的减振环材料选用氟橡胶。2建立减振环模型本文使用的氟橡胶减振环安装于电子仓骨架的安装槽上，承载着内筒与骨架的作用力。当导向钻井工具振动时，带动减振环径向位移，可以减小骨架的横向振动；氟橡胶纵向减振环安装与骨架的下端，相当于弹簧系统一
13、样，在钻井时可减缓工具振动引起的纵向振动，更好地保护电子仓内的电子元器件。减振环的具体结构参数如表1所示。3建立减振环的有限元模型本文使用的减振环材料为氟橡胶，密度为1 820kg/m3，仿真中使用的超弹性本构模型为Neo-Hookean模型8-10。因为橡胶材料是一种黏弹性阻尼材料，在承受动态载荷情况下会发生存储能量的弹性行为和耗散能量的黏性行为，故黏弹性本构模型为3阶Prony级数表示的广义Maxwell模型。减振环的网格划分采用软件中自带的 Mesh功能进行网格划分，为提高计算精度使得结果更加接近真实情况，在Details of“Mesh”对话框中将“Relevance”调至 50，并修
14、改“Sizing”参 数，将 Sizing 下 的“Relevance Center”设置为“Fine”来提高网格质量，并且为了在保证计算结果准确性的前提下，通过更改设置以适当减少计算时间，通过设置 Sizing 下的“Use Advanced Size Function”来更改划分方法，将“Use Advanced Size Function”设置为“On:Curvature”，最后进行网格的生成，结果如图1所示。仿真时对于边界条件的设置对仿真结果有着很大的影响，本文中，考虑到减振环的实际安装条件，在有限元仿真中对其添加合适的边界条件和载荷。减振环的内环与电子仓骨架配合，内环面卡在骨架的卡槽
15、上，减振环外环与内筒内壁接触，因此在设置边界条件时设置减振环内环与电子仓骨架的约束为固定约束，外环与内壁的约束方式为Bonded。减振环在进行工作时，振动会经过内筒传递到减振环外环面上，所以在动态特性仿真时，将随时间缓慢增大的动载荷沿着径向方向加到外环面上。在减振环外环面上施加激励频率 64 Hz、振幅为1.2 mm的激励，基准尺寸为上述尺寸进行仿真。经过有限元软件的仿真结果，可以得出减振环的形变与力的迟滞环，经过下一章所述公式可以计算出减振环的动刚度和损耗因子。4减振环动刚度和损耗因子计算公式因为橡胶材料是一种黏弹性阻尼材料，在承受动态载荷情况下会发生存储能量的弹性行为和耗散能量的黏性行为，
16、而又由于黏弹性材料的应变落后于材料的应力，所以会出现应力-应变滞回曲线。氟橡胶硅油组合减振环在周期性载荷作用的条件下，会受迫产生周期性振动，出现的应力-应变曲线的面积就表示的是周期内损失的能量，并且形变和载荷之间也会形成迟滞环11-12。查阅文献13可知，可用损耗因子=tan来表示橡胶材料阻尼能力，所以本文中采用的氟橡胶硅油组合减振环的阻尼特性由损耗因子的大小反映。动刚度是指材料抵抗动态变形的能力，表示为引起单位动形变所需要的动态力，是衡量结构抵抗外界动载荷的能力，尤特别结构参数内径外径高度尺寸/mm669050表1减振环的具体结构参数图1减振环网格划分结果2023年03月机 电 工 程 技 术第52卷第03期132的，对于橡胶这种减振元件，动刚度常常用来表征其减振性能的大小。本文通过查阅文献14-15给出的椭圆法来求解动刚度和损耗因子，当黏弹性阻尼系统受到简谐载荷时，由于其阻尼力与弹性力正交，以及传递力由阻尼力和弹性力合成的原则，可以从力-变形迟滞环（图2）中可以直接得到动刚度和损耗因子，因为当位移达到最大值Xmax时，对应的传递力等于弹 性 力，当 位 移 为 零时，阻尼力Fd达到
